新意法及其與新奧法的異同分析

新意法及其與新奧法的異同分析0引言隨著“一帶一路”國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略的提出和實(shí)施，中國(guó)工程建設(shè)將進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元。隧道工程作為線路穿越山嶺的控制性工程，其穿越地層越來(lái)越復(fù)雜，修建斷面越來(lái)越大，施工里程逐年增加。因此，選擇合適的施工工法是長(zhǎng)大隧道必須優(yōu)先考慮的因素之一。新奧法作為中國(guó)隧道工程建設(shè)的主要理論基礎(chǔ)，在常規(guī)隧道開(kāi)挖中具有方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)；然而在軟弱圍巖大斷面隧道的施工中，其控制沉降差、施工步序復(fù)雜的弊端也盡顯無(wú)遺。首先，為了控制沉降、保證隧道開(kāi)挖的安全性，新奧法往往選擇縮小開(kāi)挖斷面的分部開(kāi)挖方法，如多臺(tái)階法、CD法、CRD法等[1-2]。這些方法能夠在一定程度上緩解隧道開(kāi)挖引起的變形過(guò)大等問(wèn)題，但又不可避免地會(huì)對(duì)圍巖造成多次擾動(dòng)，增加施工管理難度的同時(shí)，也為隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定留下了隱患。其次，在人為縮小的工作面上，無(wú)法滿足很多大型機(jī)械的施工空間，掌子面處往往需要投入大量的人力，這不僅造成了勞動(dòng)力的浪費(fèi)，且一旦發(fā)生事故，生命財(cái)產(chǎn)損失也大大增加。如何解決新奧法在軟弱圍巖隧道施工中的種種矛盾和弊端，成為中國(guó)現(xiàn)階段隧道工程建設(shè)的一大難題，因此研究和引進(jìn)更加先進(jìn)的隧道設(shè)計(jì)和施工方法已經(jīng)迫在眉睫。新意法[3]是在隧道設(shè)計(jì)施工方面具有革命性意義的新方法。依照新意法理論不僅可以有效控制隧道開(kāi)挖引起的各種圍巖變形，保證隧道的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而且在極端地質(zhì)條件下仍然能夠應(yīng)用全斷面工法進(jìn)行隧道掘進(jìn)，最大限度地減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)。本文將從隧道施工過(guò)程中的力學(xué)行為分析入手，全面介紹新意法及其與新奧法的區(qū)別與聯(lián)系，為隧道工程建設(shè)提供新的思路。1隧道施工過(guò)程中的力學(xué)行為分析1.1隧道工程平面力學(xué)行為特性就隧道工程而言，從開(kāi)始施工到隧道貫通是一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程[4]。在此期間，隧道開(kāi)挖導(dǎo)致巖土體原有的物理力學(xué)平衡被打破，經(jīng)過(guò)調(diào)整和轉(zhuǎn)化，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。由于隧道在縱向上具有很長(zhǎng)的軸線，橫截面大小和形狀沿軸線保持不變，并且傳統(tǒng)施工工序往往是先開(kāi)挖后支護(hù)的循環(huán)，因此對(duì)隧道力學(xué)行為的分析往往將其簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行處理。在橫截面上，隧道開(kāi)挖使輪廓線上的圍巖處于臨空狀態(tài)，圍巖在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形（圖1），如果任其發(fā)展，就可能導(dǎo)致隧道收斂變形過(guò)大甚至塌方，因此平面應(yīng)變問(wèn)題主要研究隧道開(kāi)挖后橫截面上的變形特性及支護(hù)與圍巖的相互作用關(guān)系。在橫截面上，隧道開(kāi)挖引起圍巖中應(yīng)力發(fā)生變化，類似于當(dāng)水流經(jīng)過(guò)橋墩，由于橋墩足夠的強(qiáng)度導(dǎo)致水流被迫分流，沿橋墩邊緣的水流流速加快（圖2）；同樣，洞室開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力的重分布，應(yīng)力流被開(kāi)挖的洞室分開(kāi)，在洞壁周圍形成應(yīng)力增大區(qū)，即成拱效應(yīng)[3]。假如洞室周圍的圍巖強(qiáng)度足夠承擔(dān)偏移應(yīng)力產(chǎn)生的作用，洞室就可以在沒(méi)有支護(hù)措施的情況下保持穩(wěn)定；如果圍巖強(qiáng)度無(wú)法承擔(dān)偏移應(yīng)力作用，洞室的變形將增大，直至無(wú)法接受而失穩(wěn)坍塌。新奧法理論是在平面應(yīng)變問(wèn)題的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，如柔性支護(hù)理論等，其對(duì)隧道收斂變形的研究也局限在平面上。1.2隧道施工過(guò)程中的三維力學(xué)行為特性隧道的開(kāi)挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，如圖3所示，掌子面以速度V向圍巖內(nèi)部前進(jìn)，后方留下一個(gè)空間，這將在軸向和徑向上對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，因此研究隧道施工過(guò)程時(shí)，忽視任何一個(gè)方向上的擾動(dòng)和變形，都不能全面反映隧道掘進(jìn)過(guò)程的力學(xué)特性。隧道的開(kāi)挖隨著掌子面向前推進(jìn)，掘進(jìn)方向上的壓應(yīng)力變?yōu)榱悖é?=0），圍巖由三維應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變。隧道掘進(jìn)過(guò)程中掌子面方向壓應(yīng)力σ3=0時(shí)，若洞室圍巖變形在彈性范圍內(nèi)，則在靠近洞室處自然產(chǎn)生應(yīng)力流（成拱效應(yīng)）；若掌子面因彈塑性變形只能維持短期的穩(wěn)定，此時(shí)成拱效應(yīng)在遠(yuǎn)離洞室處產(chǎn)生，洞室最終靜力強(qiáng)度只由其殘余強(qiáng)度決定，此時(shí)需要人為加固洞室；若掌子面前方圍巖應(yīng)力失效，不能形成成拱效應(yīng)，無(wú)法承受偏移應(yīng)力流，圍巖將產(chǎn)生大變形甚至失穩(wěn)，此時(shí)需要采取超前預(yù)約束措施，人為使之形成成拱效應(yīng)，以保證隧道穩(wěn)定。顯然，成拱效應(yīng)是否形成及形成位置與隧道的長(zhǎng)期或短期穩(wěn)定有重要關(guān)系。由圖3可以看出，在掌子面即將到達(dá)之前，即σ3趨向于零時(shí)，σ1已經(jīng)發(fā)生了變化，這種變化導(dǎo)致掌子面前方核心土的先行位移，而在平面力學(xué)分析中往往忽視了這一變形。2新奧法及其在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀2.1新奧法概述新奧法（NATM）由Pacher和Rabcewicz于20世紀(jì)中葉提出，其基本思想是充分利用圍巖的自承能力和開(kāi)挖面的空間約束作用，認(rèn)為圍巖不僅產(chǎn)生荷載而且也是承載結(jié)構(gòu)[5]。新奧法以錨桿和噴射混凝土等柔性支護(hù)為主要手段，及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，在允許圍巖變形的同時(shí)控制圍巖變形，從而提高圍巖自承能力，并通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)受力變形狀態(tài)的量測(cè)、監(jiān)控來(lái)指導(dǎo)隧道和地下工程的設(shè)計(jì)與施工。新奧法的精髓在于把圍巖本身也視作自承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，而其要點(diǎn)在于通過(guò)在施工期間建立的信息收集和反饋系統(tǒng)，分析判斷圍巖、支護(hù)的變形與位移及應(yīng)力分布和變化的關(guān)系，從而達(dá)到更加安全高效、經(jīng)濟(jì)合理的工程目的[6]。2.2新奧法核心理論與實(shí)踐要點(diǎn)2.2.1巖承理論及柔性支護(hù)理論新奧法將圍巖視作一種承載結(jié)構(gòu)，應(yīng)用柔性的、與圍巖緊貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形，共同承受壓力；其允許圍巖變形，并強(qiáng)調(diào)通過(guò)控制變形最終使圍巖與支護(hù)達(dá)到最佳平衡[7]。2.2.2對(duì)圍巖擾動(dòng)的最小化圍巖的自承能力來(lái)源于圍巖強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖自承能力的前提是最大程度地保持圍巖強(qiáng)度和原有的平衡狀態(tài)。因此，新奧法強(qiáng)調(diào)施工時(shí)應(yīng)盡可能地采用全斷面工法，以減少分部開(kāi)挖對(duì)圍巖的反復(fù)擾動(dòng)，并盡量采用光面爆破、微差爆破等方法，減少對(duì)圍巖的振動(dòng)影響，保全其整體性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)注意隧洞表面盡可能平滑，以避免局部的應(yīng)力集中。2.2.3監(jiān)控量測(cè)的意義新奧法最大的創(chuàng)新與變革內(nèi)容在于施工期間運(yùn)用監(jiān)控量測(cè)信息來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，監(jiān)控量測(cè)在某種意義上將隧道施工變成了一門(mén)信息科學(xué)。通過(guò)對(duì)系列觀測(cè)資料和量測(cè)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)隧道圍巖與支護(hù)的狀態(tài)進(jìn)行判斷與分析，進(jìn)而調(diào)整施工方案，最終達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的目的。因此，監(jiān)控量測(cè)是新奧法施工的必要條件。2.3新奧法在中國(guó)的發(fā)展及存在的問(wèn)題新奧法于20世紀(jì)70年代末傳入中國(guó)，首先應(yīng)用在軍都山、大瑤山等鐵路隧道中，并取得了良好的效果，隨之在全國(guó)興起。40多年來(lái)中國(guó)隧道建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展并成為世界隧道大國(guó)，新奧法在此過(guò)程中發(fā)揮了決定性作用。然而隨著在建隧道的不斷增多，新奧法在隧道建設(shè)的應(yīng)用中逐漸出現(xiàn)一些問(wèn)題，施工事故時(shí)有發(fā)生。產(chǎn)生這些問(wèn)題的原因主要為以下幾點(diǎn)。（1）對(duì)新奧法應(yīng)用的度的把握。任何一種科學(xué)技術(shù)都有其局限性，新奧法自然也并非適用于所有情況，然而目前大多數(shù)工程人員習(xí)慣性地把所有成功的技術(shù)都?xì)w功于新奧法，這種以偏概全的做法顯然是存在一定問(wèn)題的。（2）工程從業(yè)人員的業(yè)務(wù)素養(yǎng)。目前隧道施工人員多為普通民工，專業(yè)素養(yǎng)相對(duì)較低，對(duì)新奧法的認(rèn)識(shí)也相對(duì)膚淺，經(jīng)常導(dǎo)致施工質(zhì)量難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，使得新奧法在實(shí)施中的效果大打折扣。（3）監(jiān)控量測(cè)的重視程度。大量工程的監(jiān)控量測(cè)工作通過(guò)分包的形式由第三方機(jī)構(gòu)承擔(dān)，而第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)的專業(yè)水平與素養(yǎng)參差不齊，且現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員很多對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也缺乏足夠的重視，大大降低了工程質(zhì)量。（4）在軟弱圍巖隧道中，基于新奧法的先開(kāi)挖后支護(hù)的施工方法往往效果不佳，強(qiáng)行施工容易引起安全事故。3新意法及其應(yīng)用前景分析3.1新意法簡(jiǎn)介基于對(duì)隧道掘進(jìn)過(guò)程中的三維力學(xué)特性的分析，新意法提出了一套以掌子面前方核心土變形和控制分析為基本理論的隧道設(shè)計(jì)、施工方法，新意法將一座未襯砌的隧道在縱向范圍內(nèi)分為3個(gè)特征區(qū)域，如圖4所示。（1）未受影響區(qū)域，即圍巖還未受到隧道開(kāi)挖的影響，仍處于三維原始應(yīng)力狀態(tài)下。（2）掌子面-超前核心土區(qū)域或過(guò)渡區(qū)域，圍巖受到隧道開(kāi)挖的影響很大，從三維應(yīng)力狀態(tài)逐漸變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)。（3）穩(wěn)定區(qū)域，隧道開(kāi)挖已經(jīng)完成且不再受后續(xù)開(kāi)挖影響的區(qū)域。穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的圍巖未必能夠自穩(wěn)，甚至有可能大范圍坍塌，只是圍巖狀態(tài)不再受后續(xù)開(kāi)挖的影響。從掌子面的3個(gè)特征區(qū)域可以看出，掌子面-超前核心土區(qū)域是圍巖從三維應(yīng)力狀態(tài)過(guò)渡到平面應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)鍵區(qū)域，掌子面-超前核心土的穩(wěn)定是隧道設(shè)計(jì)中最重要的部分，必須予以足夠重視。新意法提出掌子面-超前核心土的概念，超前核心土位于掌子面特征區(qū)的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，是掌子面前方呈圓柱體的土體，其直徑和高度大致等于隧道直徑。掌子面-超前核心土區(qū)域的圍巖變形反應(yīng)有3種形式、超前核心土擠出變形、預(yù)收斂變形和收斂變形，如圖5所示[8-9]。（1）擠出變形、隧道開(kāi)挖后掌子面在縱向上向外擠出的變形。（2）預(yù)收斂變形、隧道掌子面前方理論輪廓線的收斂變形，其變形反應(yīng)完全取決于掌子面超前核心土的強(qiáng)度及變形特性與其原始應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系。（3）收斂變形、隧道掌子面后方輪廓線的收斂變形。新意法認(rèn)為，超前核心土的變形是圍巖變形反應(yīng)的真正起因，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性是隧道開(kāi)挖過(guò)程中能否保持短期穩(wěn)定和長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵。因?yàn)閲鷰r應(yīng)力偏移和傳遞并不是在掌子面通過(guò)之后才發(fā)生的，而是在掌子面到來(lái)之前就已經(jīng)開(kāi)始，因此增加超前核心土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，有助于應(yīng)力的傳遞和偏移向著靠近隧道洞壁的區(qū)域發(fā)展，更好形成成拱效應(yīng)，使圍巖變形在掌子面通過(guò)后仍處于可接受范圍。3.2新意法在中國(guó)的應(yīng)用前景分析對(duì)新意法核心理論的研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)超前核心土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，新意法可適用于各種地質(zhì)條件下的隧道工程建設(shè)。從這一方面來(lái)說(shuō)，吸收、引進(jìn)并逐漸推廣和應(yīng)用新意法對(duì)中國(guó)的隧道工程具有重大的意義。另一方面，結(jié)合中國(guó)具體國(guó)情來(lái)看，首先，在大型機(jī)械的研發(fā)能力上，中國(guó)與歐洲國(guó)家仍有一定的差距；其次，由于中國(guó)擁有全球最大的廉價(jià)勞動(dòng)力市場(chǎng)，因此一旦全面推廣新意法主張的機(jī)械化施工，將對(duì)工程領(lǐng)域的就業(yè)趨勢(shì)產(chǎn)生不小的影響；再次，新奧法在中國(guó)隧道工程建設(shè)歷史上具有不可替代的地位，一旦隧道工程施工出現(xiàn)問(wèn)題，人們總是首先想到在新奧法的基礎(chǔ)上修修補(bǔ)補(bǔ)，而難以接受新的方法；另外，從短期的經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，新意法需要投入大量新的大型機(jī)械，相比新奧法投入更大。這些因素都使得新意法在中國(guó)的推廣應(yīng)用有相當(dāng)?shù)淖枇ΑＨ欢?，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式由“粗放型”向“集約型”的逐步轉(zhuǎn)變、人口老齡化引起的廉價(jià)勞動(dòng)力市場(chǎng)的萎縮，以及大型工程機(jī)械研發(fā)能力的不斷增強(qiáng)，新意法必將與新奧法一道，共同成為中國(guó)隧道建設(shè)的理論基礎(chǔ)。從現(xiàn)階段來(lái)看，新意法可作為新奧法的補(bǔ)充，填補(bǔ)新奧法在極端地質(zhì)條件下無(wú)法安全施工的空白。如武廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道及蘭渝鐵路桃樹(shù)坪隧道都是國(guó)內(nèi)應(yīng)用新意法的成功案例。其中桃樹(shù)坪隧道在施工中同時(shí)應(yīng)用新意法和新奧法進(jìn)行施工，結(jié)果顯示新意法在進(jìn)度上具有一定的優(yōu)勢(shì)[10-11]。同時(shí)桃樹(shù)坪隧道在施工過(guò)程中結(jié)合具體國(guó)情，在應(yīng)用新意法理論基礎(chǔ)的前提下，采用了兩臺(tái)階施工方法[12]，相比新意法推薦的全斷面施工方法，節(jié)省了引進(jìn)大型工程機(jī)械的資金，同時(shí)又保證了施工的安全，為新意法在中國(guó)現(xiàn)階段的推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。綜上所述，新意法在中國(guó)具有很好的應(yīng)用前景，也有一些結(jié)合具體國(guó)情的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。因此，結(jié)合已有的研究成果，基于新意法理論提出一套完整的、適合中國(guó)國(guó)情的隧道設(shè)計(jì)和施工方法，并在時(shí)機(jī)成熟時(shí)應(yīng)用于具體工程，是未來(lái)隧道工程發(fā)展的一個(gè)重要方向。4新奧法和新意法的區(qū)別與聯(lián)系新奧法的創(chuàng)始人Rabcewicz曾經(jīng)指出，隧道工程的開(kāi)挖應(yīng)在可能的情況下盡量選擇全斷面施工方法[13]，現(xiàn)在，新意法滿足了Rabcewicz的愿望，因?yàn)榘凑招乱夥ǖ睦碚?，在任何條件的圍巖中進(jìn)行全斷面隧道施工都已經(jīng)成為可能。通過(guò)對(duì)新奧法理論的研究，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)。（1）新奧法更加注重隧道開(kāi)挖前后橫截面上的變形反應(yīng)，而在一定程度上忽視了隧道開(kāi)挖的三維力學(xué)特性。（2）新奧法建議隧道開(kāi)挖應(yīng)該盡可能地選擇全斷面施工方法。同時(shí)新奧法認(rèn)為，相比分部開(kāi)挖法，全斷面施工方法可最大限度地減小圍巖擾動(dòng)，滿足大型機(jī)械所需的施工空間，縮短工期，減少投資。（3）新奧法沒(méi)有提出超前核心土的概念，也不夠重視掌子面前方圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，更沒(méi)有一套完備的加固超前核心土的具體措施。（4）新奧法流行于20世紀(jì)60～70年代，當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)無(wú)法為其提供可靠的措施來(lái)保證在任何地質(zhì)條件下全斷面工法的可行性和安全性。（5）監(jiān)控量測(cè)及其信息反饋是新奧法理論得以實(shí)施的重要前提。相比之下，新意法理論對(duì)以上問(wèn)題具有全新的認(rèn)識(shí)和解決方法。（1）新意法更加注重隧道掘進(jìn)的三維力學(xué)特性。（2）新意法不僅意識(shí)到全斷面工法在圍巖擾動(dòng)、工期成本上的優(yōu)勢(shì)，而且使這些部分變成了現(xiàn)實(shí)。（3）新意法通過(guò)對(duì)隧道掘進(jìn)的三維力學(xué)特性分析，發(fā)現(xiàn)了圍巖變形的真正起因是隧道開(kāi)挖引起的超前核心土變形，并提出一套完整可行的超前核心土穩(wěn)固措施。（4）科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得新意法提出的超前核心土穩(wěn)固措施得以實(shí)現(xiàn)，從而保證了新意法可在任何地質(zhì)條件下應(yīng)用全斷面工法進(jìn)行隧道開(kāi)挖。（5）相比新奧法的監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目，新意法對(duì)隧道掘進(jìn)的三維力學(xué)特性同樣體現(xiàn)在監(jiān)測(cè)階段，其對(duì)超前核心土的變形監(jiān)測(cè)可有效地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)決策的正確性并加以修正，以保證隧道開(kāi)挖隨時(shí)處在安全的環(huán)境中。綜上所述，新奧法與新意法在隧道開(kāi)挖方法的選擇上有共同的目標(biāo)與訴求，區(qū)別在于，新奧法輕視了隧道掘進(jìn)過(guò)程中的三維力學(xué)特性；而新意法意識(shí)到了這一點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出了超前核心土的概念及穩(wěn)固措施，借助先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，最終完成了新奧法較難實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)――在任何地質(zhì)條件下應(yīng)用全斷面工法進(jìn)行隧道掘進(jìn)。5結(jié)語(yǔ)新奧法與新意法的主要區(qū)別在于對(duì)洞室變形的認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，隨著新奧法的不斷發(fā)展和完善，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了隧道三維力學(xué)特性對(duì)隧道開(kāi)挖的重要影響，并展開(kāi)了一系列研究，但是這些研究始終沒(méi)有認(rèn)識(shí)到超前核心土力學(xué)特性對(duì)隧道變形的決定性作用，基于這些研究的結(jié)論及處治方法，最終大都?xì)w于施工過(guò)程的管理、支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇和參數(shù)優(yōu)化上。新意法打破了這一常規(guī)思維，將隧道工程建設(shè)的理論基礎(chǔ)向前推進(jìn)了一大步，因此研究新意法的基本理論，認(rèn)識(shí)到其與新奧法的異同，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化中國(guó)隧道工程建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工方法，是隧道技術(shù)人員值得研究的新方向。參考文獻(xiàn)、[1]崔小鵬，孫韶峰，王廣宏，等.CRD工法及三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法的對(duì)比和改進(jìn)[J].隧道建設(shè)，2010（2）、131-134.[2]張新亮.大斷面隧道CD法施工圍巖應(yīng)力行為研究[D].成都、西南交通大學(xué)，2005.[3]PietroLunardi.隧道設(shè)計(jì)與施工-巖土控制變形分析法（ADECO-RS）[M].鐵道部工程管理中心，中鐵西南科學(xué)研究院有限公司譯.